Techniklexikon

Antenne

Wandler, der entweder an einen Leiter gebundene hochfrequente (Frequenz) elektrische Wellen in den Raum abstrahlt (Sendeantenne) oder aus dem freien Raum empfängt (Empfangsantenne) und in leitergebundene Wellen umwandelt. Je nach Bauart kann entweder nur ein eng begrenzter oder ein breiter Frequenzbereich (Breitband) gewandelt werden. Der Typ der A. wird u. a. durch die vorgesehene Ausbreitung der gesendeten und empfangenen Signale bestimmt; so gibt es Rundstrahl- und Richtantennen. Eine typische Richtantenne ist die schalenförmige Parabolantenne für Satellitenempfang (Satellitenkommunikation). Radarantennen (Radar) werden kontinuierlich geschwenkt. Jede A. wirkung kann im Prinzip auf die eines einfachen A. Stabes, der sog. Dipolantenne, zurückgeführt werden. Im Modellbau: Teil der Sende- und Empfangsan lage, der am Sender die leitungsgebundenen elektromagnetischen Schwingungen in Strahlungsenergie (freie Wellenausbreitung) umwandelt und abstrahlt bzw. Teil, der am Empfänger hochfrequente Strahlungsener gie aufnimmt und in leitungsgebundene elektromagnetische Schwingungen um wandelt. Die A. arbeitet mit höchstem Wir kungsgrad, wenn sie als schwingungsfähiges Gebilde in Resonanz zur gesendeten oder empfangenen Hochfrequenz abge stimmt ist Günstige Abstrahlungs- und Empfangsbedingungen bieten im KWBereich X/2- oder X/4A. Die X/4A. hätte bei 27, 12 MHz noch eine Länge von 2, 5 m und wäre damit für Sender und Empfänger recht unhandlich. Beim Sender verwendet man deshalb eine verkürzte X/4A. mit 1, 2... 1, 5m Länge, auch als StabA. oder MarconiA. (nach dem Erfinder G. Marconi benannt) bezeichnet Die verkürzte X/4A. wird durch eine Zusatzinduktivität, die A. spule (Verlän gerungsspule), auf Resonanz abgeglichen. Beim Sender ist die Verlängerungsspule am A. fußpunkt oder in der A. mitte (CLCAntenne) angebracht ModulSender ar beiten in verschiedenen Fernsteuerbändern; die Fußpunktspule ist deshalb im HFModul eingebaut Die Empfängerantenne ist in der Regel 90... 100cm lang. Sie wird durch den Eingangsschwingkreis angepaßt Neben der A. richtung (Polarisation) ist die abgestimmte A. länge für die Reichweite der Fernsteueran lage entscheidend. Die SenderA., in der Ausführung als TeleskopA., ist deshalb immer auf volle A. länge auszuziehen. Be sonders wichtig ist bei CLCA., daß die CLCSpule eingeschaltet ist Bei manchen Sen dern kann die A. in einem Köcher unter gebracht werden (Antennenköcher). Die EmpfängerA. soll möglichst in voller Länge geradlinig gespannt oder als StabA. außen am Modell angebracht sein (Antennen anbringung). Sende- bzw. Empfangseinrichtung für elektromagnetische Wellen im Hochfrequenz-Bereich (Radiowellen, Mikrowellen). Antennen sind Wellentyp-Wandler, die freie Wellen in leitungsgeführte umwandeln und umgekehrt. Eine Empfangsantenne liefert eine der einfallenden Feldstärke proportionale Wechselspannung, eine Sendeantenne strahlt die zugeleitete Wechselspannung in den freien Raum ab. Bei den meisten Antennentypen (insbesondere beim Hertzschen Dipol, s.u.) ist die abgestrahlte Welle polarisiert (Polarisation), in grosser Entfernung (Fernfeld, Fernzone) linear. In der Nahzone (Nahfeld) haben Sende- und Empfangsantennen unterschiedliche und meist sehr komplizierte Feldverteilungen (Dipolfeld). Die räumliche Verteilung der Sendeleistung in Abhängigkeit vom Raumwinkel wird Abstrahlcharakteristik (Richtdiagramm) genannt. Die Richtwirkung einer Antenne kann durch die Anordnung mehrerer phasengleicher Antennen als Dipolzeile verbessert werden. Eine weitere wichtige Grösse ist der Antennengewinn G (Gain), der als Verhältnis zwischen der elektrischen Empfangsleistung einer Messantenne zu dem einer Bezugsantenne definiert ist.

Antennen werden ausser zur Nachrichtenübermittlung (Nachrichtentechnik) in der Hochfrequenztechnik, vor allem als Messantenne zur Detektion elektrischer und magnetischer Wechselfelder, eingesetzt.

Vom Prinzip her ist eine Antenne ein Hertzscher Dipol, bei realen Antennen lässt sich zumindest jedes infinitesimale Leiterelement als Hertzscher Dipol auffassen. Die einfachste Antennenform, die Dipolantenne (Halbwellen-Dipol, s.u.), lässt sich dementsprechend als in die Länge gezogener Schwingkreis betrachten (Länge l), daraus ergibt sich als maximale mögliche Wellenlänge l der ausgesandten Strahlung l = 2l (Grundschwingung, Grundwelle). Eine Abart hiervon ist die Faltdipolantenne.

Grosse Wellenlängen, wie sie im Langwellen- und Hochfrequenzbereich benutzt werden, können mit Hilfe von Impedanzanpassung (Antennenanpassung) mit den unten beschriebenen Typen detektiert werden. Dem liegt zugrunde, dass ein Teil der an eine Sendeantenne gelieferten Wirkleistung abgestrahlt, ein Teil in Wärme umgesetzt wird. Die Antenne kann daher als Verbraucher bzw. Generator mit komplexer, frequenzabhängiger Impedanz Z beschrieben werden (Wechselstromwiderstand). Deren Realteil R setzt sich aus dem Strahlungswiderstand R_S und dem (ohmschen) Verlustwiderstand R_V zusammen. Z ist bei Sende- und Empfangsbetrieb gleich. Zur Vermeidung von Reflexionen müssen an die Antenne angeschlossene Bauteile (Generator bei Sende-, Verbraucher bei Empfangsbetrieb) eine angepasste Impedanz besitzen, diese Anpassung ermöglicht auch die Abstimmung auf die gewünschte Sende- bzw. Empfangsfrequenz.

Eine häufig verwendete Antenne in der Hochfrequenztechnik ist der kurze elektrische Dipol (Abb. 1), der klein gegen die verwendete Wellenlänge l des elektrischen Feldes E sein muss (Frequenzbereich einige kHz bis 100MHz). Sein Strahlungswiderstand beträgt R_S = 80p²(l/l)²W, die Kapazität ca. 1-10pF. Die Antennenimpedanz Z ist nahezu rein kapazitativ, es wird daher unmittelbar am Dipol ein Verstärker mit grossem Eingangswiderstand und kleiner Eingangskapazität verwendet, ausserdem ein Hochpassfilter zur Unterdrückung von Störfeldern aus dem 50-Hz-Wechselstromnetz. Statt eines Verstärkers kann auch ein Diodengleichrichter angeschlossen werden, dieser Diodensonde genannte Aufbau kann extrem klein gebaut und für Frequenzen bis einige GHz eingesetzt werden. Die kleine Rahmenantenne oder magnetische Antenne misst magnetische Felder mit l >> 2prN (r: Radius, N: Windungszahl, Abb. 2), sie wird bis ca. 30MHz verwendet.

Weitere häufig verwendete Antennentypen der HF-Technik sind der Halbwellen-Dipol (schmalbandig, bis einige 100MHz, Bezugsantenne für Vergleichsmessungen), die logarithmisch-periodische Antenne (50 bis über 1000MHz, stärkere Richtwirkung als Dipol), die Helixantenne (für Zirkularpolarisation), der Hornstrahler (im Mikrowellenbereich, "Standard Gain Horn") und die Parabolantenne ("Satellitenschüssel"). [MD]

Antenne 1: Kurzer elektrischer Dipol, oben: Aufbau, mit der Wellenlänge l muss gelten: D << l << l; unten: Ersatzschaltbild, C_i = 1-10pF (je nach Länge) Kapazität, R_S Strahlungswiderstand, R_V ohmscher Verlustwiderstand, Z_M: Messverstärker-Eingangsimpendanz.

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Antenne 2: Kleine Rahmenantenne (magnetische Antenne), oben: Aufbau, r: Radius, mit der Wellenlänge l muss gelten: 2pr << l; unten: Ersatzschaltbild, C_i: Wicklungskapazität, L_i: innere Induktivität, R_S: Strahlungswiderstand, R_V: ohmscher Verlustwiderstand, R_M: Messverstärker-Eingangsimpedanz.